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Lenguas electrónicas: sensores químicos aplicados a la medida del sabor y al control de calidad de los alimentos

[Electronic tongues: chemical sensors applied to flavour measurement and food quality control]

Cecilia Jiménez, Francisco Javier Muñoz, André Bratov y Carlos Domínguez

Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB-CNM), CSIC, Bellaterra, Barcelona

La legislación de la industria alimentaria viene siendo cada vez más estricta en cuanto a la calidad de los productos. El sabor y el aroma son aspectos que determinan el éxito de un alimento en un mercado cada vez más competitivo. Las características organolépticas de un producto se establecen mediante un grupo de expertos catadores. Sin embargo, su capacidad sensitiva está limitada con el tiempo, ya que se produce la saturación de los órganos receptores del sabor. Además, las condiciones ambientales pueden afectar a la objetividad del experto y, por tanto, a la reproducibilidad de las medidas. Por ello, resulta evidente la necesidad de desarrollar sistemas automatizados de análisis que permitan medir el sabor y, además, controlar la calidad de los alimentos, tanto durante el proceso de fabricación como en el producto final. Las lenguas electrónicas (electronic tongues) funcionan en este sentido. Pueden clasificar distintos sabores, detectar productos que alteren la calidad del alimento, productos contaminantes, impurezas y sustancias tóxicas. Como ejemplo, en el campo de la industria vinícola, una lengua electrónica puede discriminar entre varios vinos de una misma variedad, año o denominación de origen.

Podemos definir una lengua electrónica como un instrumento analítico que reproduce de forma artificial la sensación del sabor. Estos instrumentos normalmente constan de varios componentes: 1) un muestreador automático; 2) un conjunto de sensores químicos de distinta especificidad; 3) instrumentación para adquirir la señal, y 4) el software con los algoritmos apropiados para procesar la señal obtenida y obtener los resultados deseables según se requiera un análisis cualitativo o cuantitativo.

Sistema gustativo

Si consideramos cómo funciona el sistema gustativo humano podemos establecer cierto paralelismo con las lenguas electrónicas. La lengua es el principal órgano gustativo del cuerpo humano (véase figura).

Ésta es un cuerpo carnoso de gran movilidad, ubicado en el interior de la cavidad bucal. Su superficie está cubierta por pequeñas papilas, que son de tres tipos: las calciformes y las foliadas o fungiformes son papilas gustativas, mientras que las filiformes son papilas táctiles y registran la temperatura. Las papilas gustativas son las más importantes, ya que son las responsables del sentido del gusto. Las papilas gustativas están formadas por un racimo de células receptoras rodeadas de células de sostén o apoyo. Tienen un poro externo pequeño, a través del cual se proyectan finas prolongaciones de las células sensoriales, que son como diminutos pelillos expuestos a la saliva que entra por los poros. Un alimento introducido en la boca y disuelto en la saliva, interactúa con los receptores de los pelillos del gusto y genera un impulso nervioso que es transmitido al cerebro por medio los cuatro nervios craneales. La sensación del sabor se obtiene una vez en el cerebro se han recibido las señales correspondientes al conjunto de células sensoriales para todas las sustancias químicas presentes, y éste las transforma mediante complejos sistemas de reconocimiento en un sabor concreto. La frecuencia con que se repiten los impulsos indica la intensidad del sabor; es probable que un tipo de sabor quede registrado por un tipo de células que hayan respondido de una forma más específica al estímulo.

A pesar de lo que nos pueda parecer, percibimos cinco sabores básicos: en la parte delantera de la lengua captamos el sabor dulce; atrás, el amargo; a los lados, el salado y el ácido o agrio. El sabor umami se relaciona con compuestos como glutamato monosódico y es característico de alimentos sabrosos, ricos en proteínas. Parece ser que su localización es más compleja. El resto de los sabores son sensaciones, producto de la combinación de estos cinco, estimuladas por los olores emanados de los alimentos que consumimos.

Sensores químicos

Considerando el funcionamiento del sistema gustativo, se puede establecer cierta analogía entre las células del gusto y los sensores químicos. Por ejemplo, las células que detectan el gusto ácido, reciben estímulos ante la presencia de protones disociados de ácidos; las del gusto salado, detectan la presencia de iones sodio y cloruro, las del gusto dulce detectan la presencia de moléculas de glucosa o sacarosa, etc. En el caso de los sensores, cada uno de estos compuestos interacciona con la membrana receptora dando lugar a una señal eléctrica. La suma de estas señales para todos los compuestos de una muestra y para cada sensor da lugar a una huella (fingerprint) que determina la respuesta del sensor.

Por tanto, para la medida del sabor, se requiere un conjunto de sensores, cada uno con una sensibilidad y especificidad distinta. A diferencia de los clásicos sensores químicos, en los cuales se busca la máxima selectividad, en estos sensores no se requiere especificidad a una especie, sino la medida de la intensidad o la calidad que ofrece el conjunto de una serie de sustancias presentes en una cantidad determinada. Las lenguas electrónicas funcionan según este principio.

Un sensor consta de varios elementos: la membrana sensora, el transductor que convierte la señal química en una señal física eléctrica u óptica, y el circuito que adquiere la señal y la acondiciona para su lectura.

Las membranas pueden contener distintos receptores según el compuesto a detectar. Por ejemplo, receptores iónicos, enzimas y células. Normalmente el analito o compuesto a detectar interacciona con el receptor de la membrana originando una señal química. Esta señal es convertida por el transductor en una señal física, normalmente eléctrica u óptica. Esta señal es amplificada y acondicionada para su lectura en un circuito o instrumento de medida. La lectura de la señal se puede realizar a través de una pantalla (digital o analógica) o a través del PC.

Los transductores más utilizados para las lenguas electrónicas son electroquímicos, másicos y ópticos. Entre los primeros se encuentran los potenciométricos basados en electrodos selectivos a iones (ion selective electrode, ISE), transistores de efecto de campo sensibles a iones (ion sensitive field effect transistors, ISFET), los voltamperométricos y los amperométricos. Entre los transductores másicos o gravimétricos se encuentran los de onda acústica superficial (surface acoustic wave, SAW) y las microbalanzas de cuarzo (Quartz crystal microbalance, QCM). Los transductores que tienen propiedades ópticas pueden ser muy variados, algunos ejemplos son los de resonancia de plasmones superficiales (surface plasmon resonance, SPR) o los interferométricos.

Cada uno de estos transductores tiene ventajas e inconvenientes según la aplicación. En general, se suelen usar conjuntos de sensores individuales que sigan el mismo principio de transducción. Ello permite una mayor simplificación en el proceso de adquisición y tratamiento de la señal. Las tecnologías actuales basadas en la microelectrónica tienden, sin embargo, a desarrollar conjuntos de sensores en un mismo sustrato (sensor array). De este modo, se reduce el tamaño del sensor y la circuitería se simplifica. También esta tecnología permite la integración de los sistemas de acondicionamiento y tratamiento de la señal en el mismo sustrato del sensor, con lo que se obtiene una mayor miniaturización del sistema de medida.

Lenguas electrónicas

Las lenguas electrónicas se componen básicamente de un conjunto de sensores. Cada sensor mide una propiedad determinada de la muestra. La respuesta del conjunto de sensores ofrece una huella característica para cada especie en la muestra. La suma de todas las huellas permite establecer un patrón de reconocimiento para cada sabor. Otra posibilidad de las lenguas electrónicas es el reconocimiento del sabor calibrando previamente el sistema con los resultados de un panel. Se pueden relacionar los distintos grupos de sabores establecidos por el sistema sensor según la composición química u origen con los sabores definidos por el panel.

Unos de los aspectos mas críticos de las lenguas electrónicas es el posterior tratamiento de los datos para obtener una respuesta coherente y útil. Para ello se utilizan métodos de análisis multiparamétricos. Éstos recogen toda la información que se obtiene de los sensores, seleccionan la que puede ser más significativa y, mediante algoritmos para reconocimiento de patrones, interpretan la señal de todos los sensores. Existe un gran número de métodos matemático-estadísticos: redes neuronales (artificial neural networks, ANN); análisis de componentes principales (principal component analisis, PCA); mínimos cuadrados (partial least squares, PLS); análisis discriminante (DA), etc. Todos estos métodos tienen características distintas en cuanto al tratamiento de los datos. La mayoría se utiliza para reconocimiento de patrones: el sistema sensor es expuesto a diferentes concentraciones de los analitos que se supone tendrá la matriz de la muestra para que establezca patrones de respuesta. Este proceso es como un entrenamiento del sistema: las respuestas en función del tipo de alimento (pe., café, vino, te, etc.) deben ser almacenados en una base de datos. A partir de esta base de datos se puede establecer clasificaciones de cada muestra según el origen, el año, la composición química, etc.

La investigación y desarrollo de las lenguas electrónicas es actualmente muy extenso (véase la bibliografía). Los grupos que han trabajado tradicionalmente en el campo de sensores y de sistemas de tratamiento de datos son los principales que abren líneas de desarrollo en este campo. El tipo de sensores más usuales son los electroquímicos, entre ellos los potenciométricos y voltamperométricos. Los sensores electroquímicos ofrecen una gran versatilidad –pueden detectar especies iónicas y moleculares–, se pueden introducir en muestras no homogéneas y son sencillos de manipulación. Actualmente existen en el mercado varios instrumentos que actúan como lenguas electrónicas. Hay dos que cabe destacar:

- ASTREE de AlphaMOS: Utiliza un array de siete sensores basados en ISFET con distintas membranas selectivas a iones.

- SA401 de Anritsu Corp.: Utiliza un array de ocho sensores potenciométricos que contienen membranas lipídicas en analogía a las membranas celulares.

Ambos instrumentos constan de un automuestreador y de un sistema informático muy potente que permite analizar la respuesta de los sensores con varios métodos estadísticos y obtener tanto resultados cualitativos como cuantitativos.

Los sensores de estado sólido fabricados con tecnologías microelectrónicas como ISFET, microelectrodos amperométricos, IDS para medida de conductividad, etc., suponen un gran beneficio en este campo. Todos ellos pueden aplicarse a muestras de alimentos y bebidas, y tienen como mayor ventaja su robusteza y pequeño tamaño. Además, al fabricarse con sustratos semiconductores, se puede integrar varios sensores y la circuitería de adquisición de la señal en un mismo sustrato, obteniendo los llamados sensores inteligentes (smart sensors).

Estos sensores se fabrican en el Instituto de Microelectrónica de Barcelona (IMB) y se han aplicado en muestras de bebidas para comprobar su funcionamiento. En la figura adyacente se puede observar el resultado obtenido de medir cuatro parámetros en vinos blancos y tintos, y cómo, realizando un diagrama radial con los valores promedio, se puede establecer un patrón de respuesta diferente para vinos blancos y tintos.

Asimismo, en la siguiente figura se muestra el resultado obtenido con varias aguas minerales. En este caso se han utilizado más parámetros para poder establecer un patrón de respuesta para cada agua. El tratamiento de los datos se ha realizado con el método quimiométrico de componentes principales, PCA. Se puede establecer para estas muestras una relación bastante clara entre la composición química del agua y los resultados obtenidos. Por ejemplo, se puede observar que existe una diferencia importante entre las aguas carbonatadas (Vichy y Malavella) y las demás.

A través de estos ejemplos se demuestra cómo los sensores pueden utilizarse para la medida de alimentos, tanto desde el punto de vista cuantitativo, analizando algún compuesto determinado, como desde el punto de vista cualitativo, obteniendo un patrón de respuesta según el sabor.

Bibliografía

AlphaMOS, Toulouse, http://www.alpha-mos.com/

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Toko&Hayashi Lab., http://ultrabio.ed.kyushu-u.ac.jp/tope.htm

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30/10/02